天氣預(yù)報(bào)中試基地支撐環(huán)境設(shè)計(jì)及建設(shè)

孟慶濤 張潤福 李萍陽 林建 張小玲

（國家氣象中心，北京 100081）

0 引言

研究與業(yè)務(wù)天生關(guān)注點(diǎn)的差異，導(dǎo)致預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)單位引進(jìn)先進(jìn)預(yù)報(bào)研發(fā)技術(shù)并在實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中投入使用效果歷來并不理想[1-4]。為加快改變這種現(xiàn)狀，國家氣象中心于2011年開始探索科研業(yè)務(wù)結(jié)合工作，中國氣象局天氣預(yù)報(bào)科技成果中試基地（CMA Testbed and Proving Ground for Weather Forecast，TPGW，以下簡稱中試基地）也于2015年正式組建[5]。

天氣預(yù)報(bào)中試在國內(nèi)屬于起步期[6]。美國國家海洋大氣管理局（NOAA）的危險(xiǎn)天氣測試基地HWT（Hazardous Weather Testbed）開辟獨(dú)立辦公室支持研究人員、預(yù)報(bào)員和技術(shù)支持人員使用歷史資料和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)資料評估新的平臺(tái)和技術(shù)，NOAA的聯(lián)合颶風(fēng)測試基地JHT（Joint Hurricane Testbed）建立和維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施，以便應(yīng)用研究的改進(jìn)及其向業(yè)務(wù)運(yùn)行、通訊和顯示環(huán)境的轉(zhuǎn)化[7]。集中的仿真業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)環(huán)境使得研究人員與預(yù)報(bào)人員的交流互動(dòng)更加流暢，有力促進(jìn)新技術(shù)在業(yè)務(wù)中的試驗(yàn)。HWT的中試支撐環(huán)境直接促成集合預(yù)報(bào)和對流尺度數(shù)值模式在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，也促進(jìn)數(shù)值模式向高時(shí)間和空間分辨率，向?qū)α鞒叨鹊募项A(yù)報(bào)系統(tǒng)的發(fā)展[7]。美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）的風(fēng)暴預(yù)報(bào)中心（SPC）的中試支撐環(huán)境促使RUC、中尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)和NSHARP等代表當(dāng)時(shí)最高水平的預(yù)報(bào)技術(shù)快速地在業(yè)務(wù)中使用[7]。

國家氣象中心先行嘗試開展“兩個(gè)平臺(tái)”（科研開發(fā)平臺(tái)和成果轉(zhuǎn)化平臺(tái)）的建設(shè)，對中試支撐環(huán)境建設(shè)方向進(jìn)行實(shí)際探索?！皟蓚€(gè)平臺(tái)”根據(jù)業(yè)務(wù)降水預(yù)報(bào)精細(xì)度欠缺和強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)難度大等實(shí)際情況，在2013和2014年6—7月組織展開暖季試驗(yàn)，聚焦春夏（4—9月）我國中東部暴雨和強(qiáng)對流天氣過程，開展支撐暖季試驗(yàn)的仿真業(yè)務(wù)環(huán)境建設(shè)[5,8]，為中試基地支撐環(huán)境建設(shè)搭建良好基礎(chǔ)。2015年，中試基地組建前后，中試基地辦公室再次對中試支撐環(huán)境的設(shè)計(jì)和建設(shè)進(jìn)行大量調(diào)研，征求專家和預(yù)報(bào)員意見，根據(jù)前期仿真業(yè)務(wù)環(huán)境建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮到業(yè)務(wù)技術(shù)量和先進(jìn)技術(shù)緊缺程度，確立以中小尺度天氣預(yù)報(bào)為中試基地引進(jìn)成果主要方向[5]，中試支撐環(huán)境的建設(shè)圍繞中小尺度天氣預(yù)報(bào)仿真業(yè)務(wù)環(huán)境（簡稱中試平臺(tái)）開展。

1 中試支撐環(huán)境設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)

暖季試驗(yàn)初衷是通過聯(lián)合會(huì)商研討與新技術(shù)應(yīng)用測試，從業(yè)務(wù)中尋找科學(xué)問題并研究解決，促進(jìn)科研成果的改進(jìn)和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化的良性循環(huán)[8]，仿真業(yè)務(wù)環(huán)境的設(shè)計(jì)圍繞聯(lián)合會(huì)商研討和最新版本GRAPES-MESO和南京大學(xué)WRF4km等新技術(shù)應(yīng)用測試展開，先后發(fā)現(xiàn)預(yù)報(bào)和機(jī)理問題超過30個(gè)，問題主要集中在短時(shí)強(qiáng)降水，雷暴大風(fēng)和冰雹預(yù)報(bào)[8]。

中試基地支撐環(huán)境具體結(jié)構(gòu)見圖1。其中，會(huì)商室中試平臺(tái)作為中試環(huán)境的集中操作和展示中心，部署5～6臺(tái)業(yè)務(wù)微機(jī)和工作站，可承擔(dān)引進(jìn)新技術(shù)或科研成果（以下簡稱新技術(shù)）運(yùn)行前段操作環(huán)境，新技術(shù)運(yùn)行展示平臺(tái)和中試基地IT資源集合站（圖2）。會(huì)商室中試平臺(tái)主要聚焦于中小尺度天氣方面的實(shí)時(shí)監(jiān)測，相關(guān)方面新技術(shù)的運(yùn)行、測試和展示，同時(shí)提供與定量降水、強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)崗位完全相同的操作和數(shù)據(jù)環(huán)境，科研人員和預(yù)報(bào)員可在此快速測試新技術(shù)，利用新方法進(jìn)行同步仿真預(yù)報(bào)和結(jié)果分析檢驗(yàn)。

圖1 中試基地支撐環(huán)境結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 The framework of the environment of TPGW

圖2 中試基地會(huì)商室中試平臺(tái)架構(gòu)圖Fig. 2 The sketch map of the Testbed in the forecasting hall for TPGW

高性能計(jì)算資源依托中國氣象局高性能IBM計(jì)算資源池，由中試基地牽頭申請?zhí)囟康挠?jì)算和存儲(chǔ)資源，用于引進(jìn)對計(jì)算和存儲(chǔ)資源需求較大的新技術(shù)在中央氣象臺(tái)業(yè)務(wù)環(huán)境下的移植落地，準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行測試和業(yè)務(wù)化運(yùn)行試驗(yàn)。此外，考慮到新技術(shù)運(yùn)行環(huán)境多樣性，中試環(huán)境依托會(huì)商室中試平臺(tái)提供Windows Server和Linux系統(tǒng)計(jì)算資源，可供計(jì)算資源需求小的新技術(shù)的準(zhǔn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行和測試。

科研業(yè)務(wù)結(jié)合檢驗(yàn)系統(tǒng)以為引進(jìn)新技術(shù)提供與業(yè)務(wù)產(chǎn)品的客觀檢驗(yàn)結(jié)果為設(shè)計(jì)目標(biāo)，對比檢驗(yàn)算法全封閉和算法開放不同總框架下系統(tǒng)計(jì)算效率，框架可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，總體上開放式算法框架各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于封閉式算法框架。系統(tǒng)以開放式檢驗(yàn)算法為框架核心，算法由用戶自由編寫，采用交互式B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)靈活的業(yè)務(wù)模式產(chǎn)品與新技術(shù)交叉對比檢驗(yàn)，同時(shí)提供詳細(xì)的客觀檢驗(yàn)結(jié)果管理和繪圖分析功能，其設(shè)計(jì)思路及框架見圖3。

圖3 科研業(yè)務(wù)結(jié)合檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖Fig. 3 The framework of the verification system for TPGW

2 中試支撐環(huán)境建設(shè)及應(yīng)用

2.1 中央氣象臺(tái)會(huì)商室中試平臺(tái)

會(huì)商室中試平臺(tái)以7臺(tái)微機(jī)和8塊屏幕為主要載體。6臺(tái)機(jī)器為Windows微機(jī)，主要用于實(shí)況監(jiān)測和分析預(yù)報(bào)，資料共享和小型科學(xué)計(jì)算。1臺(tái)為Linux工作站，主要用于小型新技術(shù)計(jì)算和運(yùn)行。平臺(tái)建成完全類似定量降水和強(qiáng)對流業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的操作平臺(tái)和數(shù)據(jù)環(huán)境，操作環(huán)境包含常規(guī)地面和高空觀測、雷達(dá)衛(wèi)星資料、模式產(chǎn)品、集合預(yù)報(bào)產(chǎn)品、MICAPS、強(qiáng)天氣工具箱、SWPCBROWSER（強(qiáng)天氣資料瀏覽器）、SWAN和中央氣象臺(tái)文字產(chǎn)品制作系統(tǒng)等預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和工具。平臺(tái)同時(shí)承擔(dān)SWAP（衛(wèi)星天氣應(yīng)用平臺(tái)）、雷達(dá)風(fēng)反演系統(tǒng)[9]、ROSE（新一代天氣雷達(dá)建設(shè)業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)）和LAPS（面向預(yù)報(bào)成因分析的多源資料融合應(yīng)用系統(tǒng)[10-12]）等新技術(shù)的前端操作和對外展示環(huán)境。

會(huì)商室中試平臺(tái)從2012年開始搭建，2013年初步建成，到2014年逐步完善。平臺(tái)先后承擔(dān)暖季會(huì)商值班[8,13-16]、新技術(shù)測試運(yùn)行[8-14]、新產(chǎn)品預(yù)報(bào)試驗(yàn)和中央氣象臺(tái)短期首席交流班預(yù)報(bào)環(huán)境等功能[14-16]。表1列出2013年以來中試支撐環(huán)境支持的20項(xiàng)引進(jìn)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化科技成果概況[9-12,16-34]，覆蓋強(qiáng)降水、臺(tái)風(fēng)、環(huán)境、強(qiáng)對流和災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)等幾乎所有業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)方向。此外，近三年（2016—2018年）平臺(tái)共支持23期聯(lián)合會(huì)商研討，會(huì)商參與人員分別來自中國科學(xué)院和中國氣象局相關(guān)科研院所、國內(nèi)外高校和各省（香港天文臺(tái)）氣象部門。

表1 2013—2018年天氣預(yù)報(bào)科技成果業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化情況Table 1 Operational transformation of scientific and technological achievements of weather forecast in 2013-2018

2.2 中試高性能計(jì)算環(huán)境

中試高性能計(jì)算環(huán)境依托中國氣象局IBM高性能計(jì)算資源，實(shí)際可提供的計(jì)算和存儲(chǔ)資源按年度動(dòng)態(tài)調(diào)整，依據(jù)待轉(zhuǎn)化成果計(jì)算和存儲(chǔ)資源需求上限，每年由中試基地向中國氣象局高性能計(jì)算資源管理部門申請適應(yīng)實(shí)際需求的計(jì)算和存儲(chǔ)資源。目前高性能計(jì)算資源提供2個(gè)獨(dú)立計(jì)算賬戶。每賬戶可獨(dú)立利用計(jì)算CPU核心數(shù)5000，實(shí)際每賬戶最大利用CPU核心數(shù)接近10000。每賬戶可利用存儲(chǔ)資源17～20 TB，實(shí)際每賬戶利用存儲(chǔ)接近17 TB。

中試高性能計(jì)算資源2014年建成后，先后應(yīng)用于美國威斯康辛大學(xué)云圖模擬系統(tǒng)和中國氣象局武漢暴雨研究所面向預(yù)報(bào)成因分析的多源資料融合應(yīng)用系統(tǒng)（LAPS系統(tǒng)）在中央氣象臺(tái)的業(yè)務(wù)化落地和運(yùn)行測試。高性能計(jì)算資源主要承擔(dān)云圖模擬系統(tǒng)本地化編譯改造測試，云圖模擬技術(shù)嵌入GRAPES模式產(chǎn)品后處理系統(tǒng)測試和云圖模擬產(chǎn)品類實(shí)況云圖顯示技術(shù)改造測試。對于面向預(yù)報(bào)成因分析的多源資料融合應(yīng)用系統(tǒng)（LAPS），高性能計(jì)算資源承擔(dān)其本地化編譯測試，系統(tǒng)全流程運(yùn)行測試、業(yè)務(wù)化測試和實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行[10-11]，LAPS系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析資料種類多，數(shù)據(jù)量大，其由華中地區(qū)擴(kuò)容至全國范圍內(nèi)對計(jì)算和存儲(chǔ)資源需求急劇升高，考慮到與中尺度數(shù)值模式并行業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，其空間時(shí)間分辨率數(shù)次升級(jí)，最終可提供1 h，東亞范圍內(nèi)5 km分辨率產(chǎn)品。在已有計(jì)算和存儲(chǔ)能力制約下，中試高性能計(jì)算資源環(huán)境對5 km和1 h分辨率產(chǎn)品進(jìn)行前后長達(dá)幾個(gè)月的實(shí)時(shí)測試，尋求系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行計(jì)算資源可支持的產(chǎn)品最大覆蓋范圍，期望提供最大范圍的覆蓋全國的實(shí)時(shí)格點(diǎn)分析場（圖4）。

圖4 5 km和1 h分辨率的面向預(yù)報(bào)成因分析的多源資料融合應(yīng)用系統(tǒng)（LAPS）產(chǎn)品覆蓋范圍，填色區(qū)域代表產(chǎn)品覆蓋最大范圍（85°—140°E，15°—54°N）Fig. 4 The covering area of the product of the LAPS represents system with 5 km and 1 hour resolution, the shaded area reprents the max covering area(85°—140°E，15°—54°N)

目前，上述新技術(shù)均已實(shí)際投入業(yè)務(wù)使用,云圖模擬技術(shù)作為GRAPES_MESO模式后處理云圖模擬產(chǎn)品支撐關(guān)鍵技術(shù)，面向預(yù)報(bào)成因分析的多源資料融合應(yīng)用系統(tǒng)（LAPS）通過國家氣象中心業(yè)務(wù)化準(zhǔn)入評審，兩者分別為預(yù)報(bào)員提供實(shí)時(shí)云圖模擬產(chǎn)品和高時(shí)空分辨率格點(diǎn)實(shí)況分析場[12]。

2.3 科研業(yè)務(wù)結(jié)合檢驗(yàn)系統(tǒng)

科研業(yè)務(wù)結(jié)合檢驗(yàn)系統(tǒng)2013年4月完成1.0版本，2014年12月升級(jí)至2.0版本，可實(shí)現(xiàn)降水和災(zāi)害性天氣新技術(shù)與已有業(yè)務(wù)模式的交互式精細(xì)化檢驗(yàn)。對比的業(yè)務(wù)模式產(chǎn)品（如T639、GRAPES、EC、南京大學(xué)WRF4km和NCEP等模式）和檢驗(yàn)算法（如TS、ETS等評分）可實(shí)現(xiàn)頁面參數(shù)選擇并提交，系統(tǒng)同時(shí)對檢驗(yàn)結(jié)果提供管理和編輯功能，支持檢驗(yàn)結(jié)果常見繪圖形式（如柱狀圖，折線圖和餅狀圖等）展示、導(dǎo)出和結(jié)果出圖等功能（圖5）。

圖5 科研業(yè)務(wù)結(jié)合檢驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 5 The structure of the verification system for TPGW

該系統(tǒng)建成以來，2013—2014年6—7月新技術(shù)測試期間，同時(shí)為南京大學(xué)WRF4km、GRAPES3km和GRAPES_MESO等中尺度模式的測試提供過程客觀檢驗(yàn)結(jié)果[8,13]，并向科學(xué)家和預(yù)報(bào)人員參與暖季試驗(yàn)值班提供客觀檢驗(yàn)產(chǎn)品和檢驗(yàn)結(jié)果繪圖分析產(chǎn)品（圖5），以供其在上述新技術(shù)項(xiàng)目測試內(nèi)部會(huì)商發(fā)言使用。

2.4 中試基地工作網(wǎng)站

中試基地工作網(wǎng)站建設(shè)成中央氣象臺(tái)官方網(wǎng)站的子網(wǎng)站，其訪問地址如下：http://testbed.nmc.cn。工作網(wǎng)站主欄目包括基地介紹、聯(lián)合分析、成果轉(zhuǎn)化、平臺(tái)建設(shè)和工作文檔，共5個(gè)主要方面內(nèi)容。

3 結(jié)論與討論

中試基地支撐環(huán)境建成以來，截止到2018年底，先后服務(wù)于20項(xiàng)轉(zhuǎn)化成果，48期聯(lián)合會(huì)商，7期省級(jí)首席預(yù)報(bào)員強(qiáng)對流短時(shí)預(yù)報(bào)客座交流（DESK），參與單位包括20家省級(jí)臺(tái)站，參與人次包含70余人次科學(xué)家和31省市的33名交流首席預(yù)報(bào)員[14-16]，為中試基地的工作提供堅(jiān)實(shí)的支撐環(huán)境。

1）中試基地支撐環(huán)境的建設(shè)核心是會(huì)商室中試平臺(tái)，作為集中展示平臺(tái)，其設(shè)計(jì)思路應(yīng)與引進(jìn)新技術(shù)主方向相適應(yīng)，中央氣象臺(tái)會(huì)商室中試平臺(tái)以中小尺度天氣預(yù)報(bào)為主要方向，建成定量降水和強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)為主的仿真業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)環(huán)境和配套數(shù)據(jù)、計(jì)算和存儲(chǔ)支持環(huán)境，并提供詳細(xì)操作使用手冊以供研究和預(yù)報(bào)人員參考。

2）中試高性能計(jì)算資源作為引進(jìn)成果的運(yùn)行和測試主環(huán)境，其設(shè)計(jì)思路需要兼容并包，計(jì)算系統(tǒng)在盡可能情況下應(yīng)兼容Windows、Linux和AIX等主流科技成果運(yùn)行計(jì)算環(huán)境，并提供彈性計(jì)算和存儲(chǔ)資源支撐，中試基地高性能計(jì)算資源實(shí)行年度動(dòng)態(tài)調(diào)整，以每年引進(jìn)新成果的需求為參考，向國家氣象信息中心申請適應(yīng)當(dāng)年成果轉(zhuǎn)化所需的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，年均計(jì)算資源保持在5000～10000核心CPU數(shù)，存儲(chǔ)資源保持在10～20 TB。

3）作為中試支撐環(huán)境的有力補(bǔ)充，科研業(yè)務(wù)結(jié)合檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以交互式客觀檢驗(yàn)為主要思路，提供檢驗(yàn)算法開放接口，以利于研究和預(yù)報(bào)人員利用新檢驗(yàn)方法對成果進(jìn)行客觀檢驗(yàn)和分析，系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，算法開放可由用戶提供，支持新成果與已有業(yè)務(wù)模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品的客觀對比檢驗(yàn)，同時(shí)提供檢驗(yàn)結(jié)果管理、繪圖分析等功能。

4）中試基地工作網(wǎng)站作為中試基地的門戶和對外宣傳窗口，其設(shè)計(jì)思路應(yīng)以提供盡量多信息和方便工作內(nèi)容互動(dòng)為原則，網(wǎng)站側(cè)重提供聯(lián)合會(huì)商和成果轉(zhuǎn)化相關(guān)工作動(dòng)態(tài)，技術(shù)交流和總結(jié)內(nèi)容，方便預(yù)報(bào)與研究人員及時(shí)快速獲取中試相關(guān)信息。